12.02.2021 - Osaka University

De la basura al tesoro: los residuos de silicio encuentran un nuevo uso en las baterías de iones de litio

Los investigadores fabrican electrodos para baterías de iones de litio con compuestos de virutas de Si y láminas de grafito, consiguiendo un alto rendimiento, un coste reducido y un respeto al medio ambiente

Las baterías de iones de litio (LIB) se utilizan ampliamente en diversos aparatos electrónicos móviles. La preocupación por el calentamiento global y el cambio climático ha impulsado recientemente la demanda de LIBs en los vehículos eléctricos y en la suavización de la producción solar fotovoltaica. El Si se ha estudiado como material activo con una alta capacidad teórica de 3578 mAh/g, que es unas diez veces superior a la del grafito (372 mAh/g).

Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Osaka ha utilizado nanopolvo de Si en forma de escamas envuelto por láminas de grafito ultrafinas (GS) para fabricar electrodos LIB con una capacidad de área y una densidad de corriente elevadas.

Generalmente tratada como residuo industrial, la viruta de Si se genera a un ritmo de 100.000 toneladas al año en todo el mundo a partir de lingotes de Si que se producen a partir de sílice mediante procesos a 1000~1800°C. Los refrigerantes a base de agua y las sierras de hilo de grano abrasivo fijo están allanando el camino para el uso de las virutas de Si como material activo anódico con una alta capacidad a un coste reducido.

Se han aplicado nanomateriales de carbono a los electrodos de Si para mejorar la conductividad eléctrica y la ciclabilidad. Se han demostrado muchas estrategias para hacer frente al cambio de gran volumen de los electrodos de Si a un coste relativamente alto. Sin embargo, los electrodos de Si no combinan todos los requisitos para un alto rendimiento de los electrodos, es decir, un coste reducido, el respeto al medio ambiente de los materiales y procesos, y la economía circular.

"En este estudio, se utilizan compuestos de láminas de Si/grafito a partir de virutas de Si y grafito expandido como material activo con un coste y un presupuesto térmico reducidos. El nanopolvo de Si se dispersa y se envuelve entre las GS fabricadas a partir de grafito expandido", explica el primer autor Jaeyoung Choi. "Los puentes de GS se forman a través de las grietas y suprimen el agrietamiento y el desprendimiento del Si. Los GS aglomerados envuelven los compuestos de Si/GS y funcionan como marcos estables que aseguran las vías de los electrolitos y los espacios de amortiguación para el cambio de volumen del Si".

La estructura del compuesto Si/GS y la limitación de la delitización mejoran la ciclabilidad hasta 901 ciclos a 1200 mAh/g. La capacidad de delitización y la densidad de corriente de los electrodos Si/GS aumentan linealmente hasta 4 mAh/cm2 y 5 mA/cm2, respectivamente, con la carga de masa durante más de 75 ciclos, mientras que los electrodos gruesos con Si recubierto de C fabricados en C2H4 no son competitivos.

"Las baterías de ánodos de Si con alta capacidad y alta densidad de corriente tienen el potencial de ser utilizadas en vehículos eléctricos. Este potencial, combinado con la creciente generación de virutas de Si como residuo industrial, permitirá que nuestro trabajo contribuya a la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero y a la consecución de los ODS", afirma el autor correspondiente, Taketoshi Matsumoto.

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